楊翠云 孫玉民 韋中偉 王帥 葛凱旋

(橫店集團得邦照明股份有限公司 浙江東陽 322118)

城市裝飾對彩色燈光的需求越來越大，同時對于彩色燈光的控制和技術要求越來越高，智能一體化、架構集成化成為燈光控制技術的發(fā)展趨勢。一般的彩色燈光的控制電路由數(shù)字電路組成，這一方式電路結構復雜、成本高、功耗大，并且從外觀上看彩色燈光不僅模式少還形式單調，缺乏用戶的實操性，影響燈光的閃爍效果，因此有必要對彩色燈光控制器進行改進[1-3]。彩色燈飾主要可以用于娛樂活動、園林裝飾等場合，為環(huán)境提供不同的燈光變化效果，但是普通的燈光又無法根據節(jié)奏變化閃爍，形式單一。通過音樂將視覺和聽覺結合起來在現(xiàn)如今越來越廣泛，基于聲音的動感LED 燈是音樂可以外化的一種典型的應用，目前在智能家具和照明領域也有使用[4-5]。播放音樂時LED 燈光可以實時通過音樂的改變而閃爍變化。

1 硬件系統(tǒng)方案設計

首先，通過電腦播放任意一首音樂，電腦端音量控制適中，這樣方便采集音頻信號。通過連接電腦的音頻信號線采集聲音信號，由于采集到的聲音信號很微弱，不足以利用，所以信號要先通過LM386功率放大器將模擬量信號放大。放大后的音頻信號傳輸?shù)紸DC0832模數(shù)轉換器，通過模擬量到數(shù)字量的轉換后，形成的數(shù)字量再傳輸?shù)絾纹瑱C中，通過判斷數(shù)字量的大小來實現(xiàn)8個LED燈珠數(shù)目多少的亮滅[6-7]。從硬件系統(tǒng)總體方案中可以看到，在通過音頻信號傳輸線傳輸出來的音樂需要在采集線路上增加一個小功率的喇叭來外放，以達到視聽一體化的效果。該系統(tǒng)基于STC89C52單片機來實現(xiàn)對聲音大小的判斷，并通過P 口對外接LED燈珠進行亮滅的控制。通過音頻信號線采集聲音信號的方案優(yōu)點在于采集的聲音信號準確，沒有外界因素影響或者干擾，音頻信號可以準確無誤地采集、放大、傳輸?shù)絾纹瑱C，從而控制8 個彩色LED 燈的亮滅。總體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體方案圖

1.1 單片機系統(tǒng)LM386音頻信號放大電路模塊

基于聲音動感LED燈的主芯片使用的是STC89C52單片機。單片機P1.0 連接模數(shù)轉換器的使能端，其功能是決定模數(shù)轉換器的開始工作與結束工作。P1.2連接模數(shù)轉換器的時鐘信號端，其功能是為芯片提供時鐘信號。P1.3模數(shù)轉換器信號輸出和輸入的并聯(lián)線相連接，用來傳輸數(shù)據。P0 口與8 個草帽形燈珠相連，P0.0控制第8個燈；P0.1控制第7個燈；P0.2控制第6個燈；P0.3控制第5個燈；P0.4控制第4個燈；P0.5控制第3 個燈；P0.6 控制第2 個燈；P0.7 控制第1 個燈。另外，為了迎合人類視覺停留這個特性，單片機內部需要有延時程序，讓更多的燈光閃爍效果停留在眼睛里面，人腦中便會生成一幅連續(xù)的畫面。

1.2 LM386音頻信號放大電路模塊

采用LM386功率放大器將功率放大。LM386功率放大器具有功耗低、工作電壓范圍寬泛、所需外部搭配元件少等特點，其內部由多級電路組成，擁有眾多晶體管。輸入部分、電壓增益模塊、電流驅動模塊由10 個晶體管構成。增加閉環(huán)增益就需要加大電路的總交流反饋量，其方法是在芯片1腳及8腳間添加一個10 μF的電容。整體可以達到放大200 倍的效果，采集到的音頻信號通過它放大以后得到適合利用的音頻信號（如圖2 所示）。在方案中，通過音頻信號線從電腦端采集的聲音沒有外放出來，因此無法判斷聲音的節(jié)奏與LED 燈閃爍的配合程度，需要在線路中添加一個小功率外放喇叭幫助人們視聽結合。

圖2 放大電路仿真圖

1.3 ADC0832模數(shù)轉換電路模塊

ADC0832 模數(shù)轉換器的分辨率可達到256 級，意思就是可以將采集到的連續(xù)模擬量分為256 個級別。將整個值域分為8 段，每一段的最大值對應一個草帽型的燈珠發(fā)光的閾值，通過模擬量到數(shù)字量的轉換后,形成的數(shù)字量再傳輸?shù)絾纹瑱C中，數(shù)字信號再由單片機判斷當數(shù)字量大于規(guī)定的數(shù)字后哪些LED 燈亮起。圖3為模數(shù)轉換電路仿真圖。

圖3 模數(shù)轉換電路仿真圖

1.4 獨立按鍵模塊

設有3 個獨立按鍵key0、key1、key2 分別接單片機P2.0、P2.1、P2.2，此3個按鍵用于切換LED 彩燈的不同閃爍情況。設有2 個獨立按鍵key3、key4 分別接單片機P2.3 和P2.4，此2 個按鍵用于切換ADC0832 不同的采樣速度，從而導致LED彩燈的兩個不同閃爍速度。

1.5 LED燈珠顯示模塊

8個草帽型燈珠亮滅的個數(shù)根據收取的聲音大小改變，其整體形式排成一排，但是閃爍方式可以由程序決定?？傮w展現(xiàn)為聲音小則彩燈亮的個數(shù)少，聲音大則彩燈亮的個數(shù)多。讓LED草帽型燈亮只要讓接在P口變成低電平，草帽燈滅則P 口電平變高。系統(tǒng)先從外拾取聲音，通過前面的模數(shù)轉換可以得到一定的數(shù)字量，然后將數(shù)字量進行一段一段地劃分則可規(guī)定8個LED小草帽燈珠的亮滅區(qū)間來決定草帽燈珠的亮滅情況。

1.6 電源總開關與復位方式

該系統(tǒng)板的電源總開關在外接電源線后，由開關SW1 的閉合和打開控制整個系統(tǒng)是否供電，它將接通VCC，使系統(tǒng)電壓達到5 V。復位是使整個系統(tǒng)回到一個確定的、最初始的狀態(tài)，使相應部件從這個最伊始的狀態(tài)重新開工。單片機中有一個引腳專門負責使整個系統(tǒng)置于最初始的狀態(tài)即復位引腳RST。在時鐘電路工作時，RST 接高電平即可使整個系統(tǒng)回到最初始的狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

開發(fā)工具為Keil uVision4.Keil 編程軟件在功能技術、架構本身以及可讀性等方面有極大的優(yōu)勢，且多個窗口的呈現(xiàn)提供了簡潔、高效的環(huán)境。

2.2 ADC0832的初始化及驅動

想要讓模數(shù)轉換器工作就必須進行初始化，對ADC0832 模數(shù)轉換器的連接位置進行定義，然后初始化ADC0832模數(shù)轉換器。

ADC0832 模數(shù)轉換器有4 個連載單片機上的端口，有控制其啟停的使能端、時鐘輸入端、信號輸入端口以及信號輸出端口，因為輸出端口與輸入端口不是同時起作用而且跟單片機的連接是雙向的，所以此芯片的輸入端口和輸出端口可以并聯(lián)在一起使用。

當ADC0832不工作時使能端處于高電平，這時候芯片不能用，時鐘信號和輸入、輸出端口的電平可高可低。芯片工作時使能端一直處于低電平。起始信號必須在第1 個時鐘下降之前信號輸入端置于高電平狀態(tài)，而第2、3個時鐘信號來選擇通道，即兩位數(shù)據來決定。選用的CH0單通道轉換則是“1、0”。選擇CH0單通道后，ADC0832則開始工作，通過將傳入模數(shù)轉換器CH0 端的連續(xù)模擬電壓量大小轉化為0～255 的數(shù)字量。具體轉化過程為：1次A/D轉換從開始轉換的第1個脈沖輸出數(shù)據最高位DATA7，直到發(fā)出最低位數(shù)據DATA0，此時一個字節(jié)數(shù)據完成。此時，可輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據。當所有的模數(shù)轉換完畢后，將使能端置于高電平，此時芯片不再工作。

2.3 平均值濾波

眾所周知，在進行數(shù)據統(tǒng)計時，每當有大量數(shù)據來臨時，觀察點陣圖發(fā)現(xiàn)會有密密麻麻、“上躥下跳”的點數(shù)據呈現(xiàn)在眼前，因此需要平滑整個數(shù)據值。通過采集得到的音頻信號樣點通常比較密集，信號過于密集會導致單片機響應很快，這樣一來就不能直觀地凸顯音頻信號的特點。將所有采集到的音頻信號采取一種簡單的平均值濾波算法進行數(shù)據處理，這樣即可得到正常的采集速率。首先，多次采集信號濾波后的數(shù)據算出平均值，得到的最后值即為所需數(shù)據。平均值濾波算法與很多程序中運用到的求平均值差不多。其次，把一系列采集到的眾多單次信號進行相加，然后將這些數(shù)字量之和除以采集次數(shù)，這樣算出來的數(shù)字量為一段適合時間內的平均數(shù)字量，這樣處理出來的數(shù)據平滑、穩(wěn)健。需要注意的是，此平均濾波算法中，會根據采集次數(shù)的多少影響整個算法的速率和準確度，次數(shù)過多會導致系統(tǒng)呆滯、反應緩慢，次數(shù)太少又會影響準確度，導致節(jié)奏的判斷錯誤。因此，通過實驗采取準確的算法是非常重要的一環(huán)。

2.4 獨立按鍵的初始化及驅動

需要通過程序對獨立按鍵進行初始化。為了防止按鍵抖動有兩種分別為硬件消抖和軟件消抖，因為硬件消抖延時較大，因此此次設計采用軟件消抖。key3鍵和key4鍵分別控制低速率和高速率，當按動key3鍵時，P2.3接低電平，此時高速率采樣，彩燈閃爍頻率高。當按動key44鍵，P2.4接低電平，此時低速率采樣，彩燈閃爍頻率低。

高速率：負責控制閃爍速度的第一個按鍵所采樣的速率是原本模數(shù)轉換器ADC0832 原始的轉換時間為32 μs，用時越少，響應越快。低速率：第二個按鍵是采樣速率是原速率的5倍，轉換時間為160 μs，用時越多，響應越慢?？梢苑謩e在播放快節(jié)奏、慢節(jié)奏音樂時運用不同的采樣速率，使彩燈閃爍頻率更加合理。

2.5 單片機控制LED彩燈的閃爍

由于人眼的視覺停留效果和單片機產生的指令時間相當短，因此為了可以很好地觀察彩燈效果，需要將指令延時一段時間，以留有充足的時間產生視覺停留效果。該系統(tǒng)采用for循環(huán)進行延時。

ADC0832 的優(yōu)點在于將采集到的連續(xù)模擬電壓量很好地轉換為單片機可識別的數(shù)字量，此數(shù)字量達到256 級別，因此可以利用這個特點用來按需編輯想要達到的彩燈顯示模式和情況。

根據調試與編排，LED 彩燈閃爍效果具有多重展現(xiàn)方式。只需要按照需求將定義好的P 口所連接的LED燈置1就會亮，置0則LED燈滅。LED燈原本外接電源與限流電阻。在程序中，LED 燈的值為1，對應的P 口置低電平，LED 燈亮起；LED 燈的值為0，對應的P口置高電平，LED 燈不亮。圖4 為軟件執(zhí)行流程圖，圖5為彩燈閃爍效果圖。

圖4 軟件執(zhí)行流程圖

圖5 彩燈閃爍效果圖

具體方案：通過ADC0832模數(shù)轉換器轉換后的數(shù)字量進行大小的判斷，若數(shù)字量大于30，則P 0.7 輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于70，則P 0.6輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于100，則P 0.5 輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于130，則P 0.4輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于160，則P 0.3 輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于180，則P 0.2 輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于200，則P 0.1 輸出的值為“1”，否則為“0”；若數(shù)字量大于220，則P 0.0輸出的值為“1”，否則為“0”。

此時觀察到的效果即為一排LED 燈光隨著聲音大小的改變從第一個燈到最后一個LED 燈的閃爍，猶如波浪一波又一波，一波未平一波又起，極其酷炫。

3 實物調試

準備好STC89C52 單片機、LM386 功率放大器、ADC0832 模數(shù)轉換器、8 個LED 彩燈、駐極式麥克風、音頻接口底座、總開關、可調式電位器、電容、電阻若干。只需預先留好各個部件的位置，可以防止出現(xiàn)部件重疊，沒地方焊接的情況。根據預留位置先將各個芯片的底座焊接好，按照原理圖順序焊接會比較規(guī)整、一一對應、方便查錯，防止焊接后找不到錯誤原因。從采集聲音的音頻信號輸入和駐極式麥克風和電源焊接，到放大電路、模數(shù)轉換電路以及單片機核心和LED彩燈電路的焊接。需要注意的是，將實物從頭到尾焊好之后需要檢查是否與原理圖相符。之后再焊接整個電路的電源與地線部分。

4 結語

該設計基本實現(xiàn)了預期設置的功能，即可以通過駐極式麥克風或者音頻信號傳輸線采集音頻，信號通過適當放大和模數(shù)轉換后再通過單片機控制LED燈珠閃爍，實現(xiàn)了基于聲音的動感LED燈的基本功能；使用了較少的電子元件，整體結構比較簡單并且很易于操作；選用的是STC89C52單片機，可選用集成程度更高、可靠性更好的芯片。